當污水中存在大量難降解有機污染物, 用常規方法難以去除, 高級氧化技術作為一種高效徹底的廢水處理技術, 是近年來漓源環保研究的技術之一。超聲催化是高級氧化技術中的一種, 指在催化劑作用下利用超聲波在溶液中的空化效應, 引起有機物熱解及自由基氧化等, 從而降解有機污染物。它具有高效的降解效果、無二次污染物、操作安全便捷等優點。
   常用的超聲催化劑為鐵、鋅和二氧化鈦等金屬催化劑, 其中鋅基催化劑種類豐富、成本低, 具有良好催化活性, 目前有大量鋅基催化劑應用于水處理領域的報道, 引起廣泛關注。
   鋅基催化劑催化超聲處理水中污染物反應的關鍵影響因素可分為:超聲參數, 水質條件, 催化劑種類及用量。超聲參數指超聲頻率、功率和時間, 主要影響空化效應;水質條件指污染物含量、初始pH和無機陰離子, 影響自由基生成及污染物形態等。
   一、水質條件
   影響超聲催化反應的水質條件包括污染物含量、初始pH、無機陰離子等因素。大部分研究中, 污染物初始含量越低, 去除率就越高, 優化初始含量幾乎均為最低含量。這與光催化劑降解污染物的現象相類似。高含量下大部分的復合位點被污染物分子占據, 使得污染物受吸附的概率變低。溶液pH對反應也有較大影響, 主要表現為改變污染物形態, 影響催化劑性質如表面電荷及聚集體的大小等。
   水中常含有硫酸鹽、氯化物和碳酸鹽等無機物, 能夠吸附在催化劑表面, 抑制催化劑活性組分釋放, 影響聲致發光。無機陰離子還可與羥基自由基反應, 生成氧化電位較低的亞自由基反應生成的亞自由基活性較低, 降低了降解速率。大部分無機陰離子對反應起抑制作用, 且相同含量下不同陰離子的抑制程度不同。
    二、催化劑種類與用量
    催化劑的種類對污染物去除率有較大影響。不同催化劑結構不同, 活性位點的數量也不一樣, 在降低反應活化能中發揮不同程度的作用。催化劑用量越多, 溶液中的活性位點就越多, 越有利于污染物吸附。但過多的催化劑粒子會團聚, 阻礙超聲波在溶液中的傳播, 減少活性位點數量和超聲散射。
    三、超聲催化降解機理
   超聲催化技術的反應原理主要是基于聲空化現象。超聲波在水中氣泡處或催化劑表面形成空化泡, 空化泡破裂時形成局部高溫 (5000K) 、高壓 (100MPa) 以及聲致發光現象, 促進羥基自由基等強氧化性單體生成。污染物可通過熱解反應、自由基氧化、光催化效應、沖擊波與微射流效應、機械剪切效應、超聲絮凝效應等去除。
   鋅基催化劑存在時, 溶液中同時有均相成核與非均相成核2種成核途徑;且催化劑顆粒可以為空化泡提供優先的成核中心, 并降低其形成的能壘。多價金屬催化劑還能與自由基發生反應, 產生新價態的催化劑, 加速污染物去除。   
   敘述了常用的鋅基催化劑的種類性質、制備方法、應用于超聲催化降解過程中的反應影響因素及降解機理。得到如下結論:
   1、常用的鋅基催化劑包括零價鋅、氧化鋅、過渡金屬離子摻雜氧化鋅以及其他含鋅催化劑, 主要應用于間苯二酚、對硝基苯胺等有機分子及染料的去除。各鋅基催化劑具有不同特點, Zn0在超聲催化體系中有氧化還原雙重作用;氧化鋅為半導體材料, 且能通過摻雜金屬離子進一步改善其性能;負載型鋅基催化劑的可重復利用性強。
   2、目前鋅基催化劑的制備方法主要為沉淀法、浸漬法等, 部分研究引入超聲作為輔助改良手段, 少數復合材料采用化學氣相轉移法等新型方法制備。大多數研究的重點在于選擇合適的原料及反應條件。
   3、在超聲-催化劑體系中加入氧化劑, 能在一定程度上提高污染物的降解率, 常用氧化劑為H₂O₂、ClO4、S₂O₈^2-等。
   4、反應關鍵影響因素有超聲參數、水質條件和催化劑的種類及用量。常用的超聲頻率為16～50kHz, 超聲功率為15～400W;一定范圍內, 超聲時間越長, 污染物初始含量越低, 催化劑用量越多, 去除率就越高;無機陰離子如Cl-、CO₃^2-、SO₄^2-等對反應起抑制作用。
   5、超聲催化反應的機理為超聲在水中具有空化效應, 引發高溫高壓及聲致發光, 產生自由基, 通過熱解反應、自由基氧化、光催化等效應去除污染物。
   促進鋅基催化劑在超聲水處理領域的應用可從幾方面入手:
   1、尋找反應活性和選擇性更好的催化劑, 并考慮其制備工藝的改進;
   2、注重催化劑的經濟性和安全性。鋅含量豐富, 能夠大規模投入生產。但鋅為重金屬, 使用時應考慮對人體的危害作用;
   3、提高催化劑的重復利用性與穩定性;
   4、尋找更溫和的反應條件, 進一步節約成本;
   5、定量分析超聲水處理中各機理的貢獻, 以方便后續對其進行改性。

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